圣大科学家开发出的数学模型可优化航天器热防护设计
日前，圣彼得堡大学的力学专家们开发出一种数学模型，该模型考虑到了气流内部及表面发生的高速非平衡过程。模型可用于详尽模拟气体与航天器表面的相互作用，这对设计航天器的热防护极为重要。
在气体混合物的非平衡流中，分子相互作用的微观过程（内部能量的重新分配、化学反应、离子化）与流体力学参数（速度、压力、温度）的变化发生在相同的时间尺度上。它发生在气体高速及高温的情况下。全世界的科学家都在研究这些过程。
研究成果已发表在学术杂志《Physics of Fluids》上。
当非平衡稀薄气体与固体表面发生相互作用时，会出现更有趣的现象。当气体靠近表面时，由于密度较低，速度和温度可能与规模气体的数值相差很大。这被称为“滑移效应”，它反映了气体与固体表面的物理相互作用。固体表面还可以充当催化剂，影响粒子的能量状态和正在发生的化学反应。这些作用会极大影响混合物的成分，以及热量和质量的传递。
在研究框架内，我们开发了一个数学模型，它考虑到了气体与表面的非平衡过程：吸附作用/解吸作用，振动自由度的激发与失活，以及非均相化学反应。
圣大空气流体力学系主任叶莲娜·库斯托娃
“这使我们能够详细描述固体近表面稀薄非平衡气体的动态和运动。得出的边界条件的主要特点是能够正确阐释气体与物体表面物理相互作用的效应，并考虑到相间非均相化学反应的影响，”圣大空气流体力学系主任叶莲娜·库斯托娃说道。
在许多实际工作中，考虑上述影响极为重要。例如：它与航天器降落进入行星大气层相关，与地面空气动力学装置和火箭发动机喷嘴中的超音速流动研究相关，与微电子装置和真空装置中使用的微通道气体流动分析相关。该模型可用于设计航天器的热防护。特别是为减少飞行器降落的热防护层，增加其有效载荷开辟了前景。
圣彼得堡国立大学是俄罗斯第一所大学，成立于1724年1月28日（俄历2月8日），当时彼得大帝颁布了关于建立大学和俄罗斯科学院的法令。如今，圣彼得堡国立大学已成为世界一流的科学、教育和文化中心。2024年，圣彼得堡大学将庆祝建校300周年。
在俄罗斯联邦政府副总理德米特里·切尔内申科（Дмитрий Чернышенко）主持召开的庆祝圣彼得堡国立大学建校 300 周年组委会会议上，批准了校庆框架内的活动计划。这些活动包括以圣大为名命名一颗小行星，发行带有特殊设计的银行卡，制作致敬俄罗斯第一所大学历史的邮票，在俄罗斯航空公司的飞机上做品牌营销等。此外，我校还专门为即将到来的庆典开设了网站，介绍杰出校友、科学成就以及周年庆筹备工作的详细情况。
模型以地球大气层中附有二氧化硅表面的着陆器附近的气体流动为例进行了测试。结果表明，与低活度表面化学反应的影响相比，稀薄度对于预测流动特性更为重要。在85千米的高度上，使用新模型计算出的装置壁面热通量比使用标准边界条件计算出的热通量低 25%左右。
这项工作是在俄罗斯科学基金项目“等离子体超音速气流的实验和理论研究”资助框架内进行的。